单一导电性单壁碳纳米管的缺陷放大分离、表征和性能研究

基于单壁碳纳米管（SWNTs）独特的电子学性质是其最有价值的应用之一，然而现有的制备技术都难以合成得到单一导电性的SWNTs，产物往往是金属型管（m-SWNTs）和半导体型管（s-SWNTs）的混合物。本项目以碳纳米管共价修饰方法为基础，利用m-SWNTs和s-SWNTs电子结构的不同，由此导致二者化学反应活性的差异，采用循化反应与萃取分离相结合的方法进行两种导电性SWNTs的同时分离。该方法不会损失任何一种导电性碳纳米管，不会破坏碳管表面的电子结构，仅需有机相/水相萃取分离和退火技术就能实现m-SWNTs和s-SWNTs的同时、大量分离。

单壁碳纳米管（SWNTs）独特的一维管状结构和优异的物理化学性能使其在电子器件、能源、复合材料和化学传感器等诸多领域展现出广阔的应用前景。然而，现有的制备技术都难以合成得到单一结构的SWNTs，产物往往是不同直径、取向、长度、导电性SWNTs的混合物，产物的复杂性严重制约了SWNTs在基础科学或实际领域的应用，其可控制备、有效分离面临着巨大的挑战。我们首先对SWNTs的Birch-Billups还原烷基化反应进行系统了研究，通过改变反应条件如功能化试剂、反应次数、反应时间等，对产物的结构和组成进行系统的分析，揭示了SWNTs表面还原烷基化反应机理及功能基团在SWNTs表面的分布模式，阐明了其结构和性能的构效关系。碳纳米管的Birch-Birllups还原烷基化反应具有明显的“管径选择性”和“导电性选择性”，根据不同结构碳纳米管化学反应性能的差异，依据该反应“缺陷位点导向性”的特性，采用循环反应策略并结合有机相/水相萃取分离的方法，实现了不同直径、层数、导电性碳纳米管的选择性分离。在这些研究的基础上，我们将SWNTs这一“缺陷位点导向”还原烷基化反应扩展至其它sp2杂化碳材料，制备得到一系列不同维数碳基纳米材料，研究了它们在能源、材料、催化等领域的实际应用。